EP2888508B1 - Wärmereflektierender kraftübertragungsriemen - Google Patents

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EP2888508B1
EP2888508B1 EP13755939.9A EP13755939A EP2888508B1 EP 2888508 B1 EP2888508 B1 EP 2888508B1 EP 13755939 A EP13755939 A EP 13755939A EP 2888508 B1 EP2888508 B1 EP 2888508B1
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EP
European Patent Office
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belt
elastomer
force
backing
metal particles
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EP13755939.9A
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Florian LOTZ
Willi Ollenborger
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Arntz Beteiligungs GmbH and Co KG
Original Assignee
Arntz Beteiligungs GmbH and Co KG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a power transmission belt with a base body of at least one elastomeric material having a base and a belt back, wherein on the base a force transmission zone is formed.
  • the invention relates to the field of power transmission belts for traction drives. These may be flat belts, V-belts, V-ribbed belts or toothed belts. Belts for traction drives generally have to withstand special dynamic mechanical requirements. Due to internal shear forces, the belts experience a slight self-heating during operation, which is easily manageable with modern elastomer belts. Belts of the type involved here are often used in high-performance machines or motors. Especially in vehicle engines for land, water and air vehicles, they can be exposed to an external heat load, which is additionally caused by a high operating temperature of the engine and in the case of internal combustion engines by high exhaust gas temperatures. These external conditions additionally stress the belt material. There is a risk that the belt will age faster, thereby reducing mileage. In automotive engine compartments, the belts are exposed for a short time and at intervals to high temperatures of up to about 300 or 400 ° C. The high temperature resistance of elastomeric belts is therefore a concrete problem.
  • such power transmission belts are often made from rubber elastomers, preferably those of the M-type or the R-type, including natural rubber (NR). Because of a good price-performance ratio with respect to the desired mechanical properties, these rubbers are often soot-filled in the prior art.
  • rubber elastomers preferably those of the M-type or the R-type, including natural rubber (NR). Because of a good price-performance ratio with respect to the desired mechanical properties, these rubbers are often soot-filled in the prior art.
  • the invention is therefore based on the object to avoid the disadvantages of the prior art and to provide a power transmission belt, which is better protected against overheating when operating in high-performance engines, especially in motor vehicle engine rooms, and in which classic belt elastomers can be used.
  • the belt is intended to absorb less heat radiation or infrared radiation than a conventional belt under the loads mentioned.
  • a power transmission belt according to the subject-matter of claim 1, in which at least one outermost layer of the belt back contains platelet or flaky particles of metal blended into the associated elastomer.
  • "Mixed at least into the outermost layer" of the belt back means that the metal particles are contained either only in the outermost layer of the belt back or in the whole belt back or additionally also in other belt zones.
  • Important for the function is the presence of the flaky or flaky metal particles in the outermost belt back layer to directly reflect the heat there and the heat absorption through the belt to prevent or limit.
  • the outermost layer with the metal particles shields the heat, essentially the infrared radiation component.
  • the generic power transmission belts are generally constructed so that the entire elastomeric body consists of one or more elastomeric materials.
  • the main body extends over substantially the entire cross section of the belt, wherein pads and / or coatings can be present both on the belt rear side as the power transmission zone or as sheathing around the entire belt.
  • pads and / or coatings can be present both on the belt rear side as the power transmission zone or as sheathing around the entire belt.
  • tensile carriers are arranged, which may be in strip form or as single strands.
  • the tension members are located between the belt back and the base and can be embedded in a separate elastomer compound. In such an embodiment, an intermediate layer of the tensile carrier-embedding material between the belt back and base.
  • the belt back may consist of several layers of material and, for example, contain an intermediate layer.
  • the various layers or intermediate layers for example, reinforcing fibers may be incorporated, individual layers may be pigmented and other more.
  • individual layers may be pigmented and other more.
  • substructure multilayer structures are known.
  • the platelet-shaped or flaky particles of metal present in accordance with the invention are located in the elastomeric material or the plurality of elastomeric materials of the entire main body.
  • the metal particles are then distributed in the entire cross-section of the belt base body, wherein the metal particle concentrations in certain areas or layers of the body may be different and in particular in the belt back, particularly preferably in the outermost layer of the belt back, increased.
  • the platelet or flaky particles of metal mixed into the associated elastomer to be present only within the belt back and preferably only within an outermost layer of the belt back, while other areas of the base are formed of metal-free elastomers.
  • This embodiment has the advantage that the metal particles are used only where they are needed and where they have an optimal effect. The material use of metal is reduced compared to the first example.
  • the flaky or flaky particles of metal may be so-called flakes, also referred to as flakes. These flakes or flakes can be prepared in various ways. For one thing, you can come from a chip process. The platelets or scales are then flat chips. Even ground bronzes belong to this group. In another manufacturing process, metal is crushed into grits or pulverized and then deformed in mills and optionally further comminuted. For this purpose, dry grinding and wet grinding are known. This results in platelets or flakes or flakes, which often have a thickness of only about one micrometer at diameters of about 20 to 100 microns (D50 num ⁇ 100 microns or sieve passage about 70 - 80) have.
  • the metal particles according to the invention consist of elemental metals or metal alloys, ie no metal oxides. However, they may be coated for corrosion protection and for better incorporation into an elastomer, preferably the metal particles are non-conductive coated, more preferably silica, alumina or polymers such as acrylates.
  • the coating with SiO 2 may be a glass encapsulation. The encapsulation or coating serves primarily for corrosion protection; An oxidic coating can improve the integration into the elastomer.
  • the metal particles according to the invention are preferably made of gold, copper, zinc, bronze or brass and in a particularly preferred embodiment of aluminum.
  • Aluminum is preferred because it reflects infrared radiation very well.
  • Aluminum particles of the type preferred here are known as technical aluminum flakes.
  • Aluminum flakes are used as foaming agents in the production of lightweight concrete and special mortars, as well as in the chemical industry, in particular for Grignard reactions and highly exothermic organometallic reactions of various kinds. They are also used as reducing agents and find application in many pyrotechnic products.
  • the metal flakes are distinguished by the so-called “cornflakes form", an irregular shape, and the so-called “silver dollar types” having a smooth surface.
  • the exact shape of the flakes or flakes does not appear to have a significant influence on the heat-reflecting properties.
  • the platelet shape as such, in conjunction with concentration and size (diameter) is crucial to the effect.
  • the metal particles are present in the elastomer of the metal-containing body or body portion as a whole, and preferably in the outermost layer of the belt back, in a concentration of 1 phr to 25 phr, preferably 5 phr to 12 phr.
  • the particles are not in an expansion orientation longer than 100 microns, preferably in any direction of expansion longer than 60 microns.
  • the particle size limitation may also be characterized by a sieve cycle characteristic.
  • the particles used have a sieve pass number of not greater than 71 (95-100% throughput). If the particles are too large, the tendency of the belt material to crack will increase, which may lead to belt failure or a significant reduction in mileage.
  • the metal particles evenly dispersed in at least the outermost belt backing layer provide remarkably good heat reflection higher than a "white" filled belt material containing SiO 2 and / or TiO 2 based fillers.
  • the heat reflection is considerably better in the case of the platelet-shaped or flaky metal particles used according to the invention than in the case of metal powder, based on the same mass.
  • This effect already occurs independently of a targeted orientation of the platelets or scales in the elastomer.
  • some alignment of the metal particles occurs automatically in the manufacture of the belt or belt back.
  • the platelets will become "flat", i. preferably rather parallel and not transverse to the layer surface order.
  • a similar orientation is also achieved when casting a platelet-containing or flake-containing layer, to a particularly great extent, when the outermost layer with the metal particles is very thin, for example less than 1 mm.
  • only the outermost layer of the belt back contains the metal particles according to the invention.
  • This layer is preferably up to 1 mm, more preferably up to 0.5 mm and more preferably only up to 0.2 mm ( ⁇ 0.2 mm) thick.
  • the increased heat reflection protects the belt from overheating and makes it possible to dispense with high temperature stable elastomers, such as fluorinated moiety, in favor of the conventional elastomers, but which are metal-particulate at least in the outermost layer of the belt back.
  • high temperature stable elastomers such as fluorinated moiety
  • the elastomer containing the metal particles is an M-type elastomer, an R-type elastomer including natural rubber (NR), a halogen rubber or a polyurethane.
  • NR natural rubber
  • a halogen rubber or a polyurethane.
  • Several elastomers arranged in the belt in various spatial regions (zones) may contain platelet or flake particles of metal. Basically, all rubbers, including natural rubber, are suitable for use in the invention.
  • the preferred elastomer containing the metal particles of the invention is at least 50% by weight of an M-group elastomer or a polyurethane.
  • Particularly preferred elastomers are free-radically crosslinked EPM or EPDM elastomers.
  • thermoplastic a polymer crosslinked to a three-dimensional network that does not possess purely thermoplastic properties, such as meltability. Certain portions of thermoplastics may be blended without the elastomer as a whole losing its characteristic elastomeric properties. The proportion of thermoplastic should, however, not exceed 30% by weight, preferably 20% by weight.
  • the elastomer further contains a preferably light-colored filler, in particular a silicic acid material or a disperse silica, preferably fumed silica in non-functionalized and preferably in functionalized form.
  • Silica-based fillers are available in " Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, VCH, Weinheim 1993, Vol. A 23, page 395 et seq , under the topic "Active white fillers” (chapter "Rubber, 4.3.3.1.”).
  • the surface measured by BET should be greater than or equal to 50 m 2 / g.
  • the filler or parts of the filler may be surface-functionalized as known in the art.
  • the elastomer of the belt body as a whole or at least the elastomer in which the metal particles are embedded according to the invention contains no dark fillers and in particular no carbon black. Dark fillers or soot counteract the heat-reflecting effect of the metal particles and should therefore be avoided.
  • the elastomer blends may further contain additives and auxiliaries in the usual proportions by weight. These include plasticizers, dispersants, masticating agents, adhesion promoters, anti-aging agents, release agents, lubricants, stabilizers, crosslinking accelerators, crosslinking agents, dyes (preferably bright), reinforcing fibers, crosslinking initiators, in particular free-radical formers, and activators.
  • additives and auxiliaries include plasticizers, dispersants, masticating agents, adhesion promoters, anti-aging agents, release agents, lubricants, stabilizers, crosslinking accelerators, crosslinking agents, dyes (preferably bright), reinforcing fibers, crosslinking initiators, in particular free-radical formers, and activators.
  • the power transmission belts according to the invention may have all common forms, i. It can basically be flat belts, V-belts or toothed belts. Preferred are V-belts, V-belt power bands, V-ribbed belts and toothed belts, V-belts and V-ribbed belts are particularly preferred.
  • the invention is based on the recognition that power transmission belt made of conventional rubber elastomers or polyurethane when operated under thermal stress, in particular short-term recurring Thermal stress at temperatures up to about 400 ° C can be effectively protected by means of embedded metal particles, the invention further comprises the use of metal particles within the belt back of a power transmission belt for overheating protection for short periods in vehicle engine rooms and in the heat radiation range of exhaust systems temperatures above 100 ° C. , if necessary above 200 ° C and briefly up to about 400 ° C.
  • Aluminum flakes also referred to as aluminum flakes, aluminum flakes, aluminum flakes aluminum flakes or ground bronze with particle diameters ⁇ 100 microns, ie with a sieve passage 100, preferably a sieve passage 71, more preferably an average particle diameter D50 num ⁇ 100 Use is made in detail as described above with reference to the power transmission belt according to the invention.
  • Figure 1a shows the schematic representation of a belt cross section through a power transmission belt 1 in the form of a V-ribbed belt with six ribs here.
  • the elastomeric base body 3 comprises the ribs 2 formed from a uniform elastomeric material, as well as the entire substructure and the belt back 4.
  • Only the outermost layer 5 of the belt back 4 contains platelet-shaped particles of metal blended into the elastomer, here aluminum flakes ("flake-form aluminum powder", US Pat. Manufacturer: Eckart Effect Pigments, Germany) with a sieve passage (97-100%) 71 micrometers and a particle size distribution D50 of about 47 micrometers.
  • the layer thickness of the layer 5 is 1 mm.
  • FIG. 1b shows as a further embodiment, the schematic representation of a belt cross-section through a power transmission belt 1 in the form of a V-belt.
  • the V-belt 1 is formed here from various elastomer regions, namely an elastomer region in the wedge section 3a , a cork embedding section 3b and the outermost layer 5 , which in turn contains the flake or platelet-shaped aluminum flakes.
  • the belt back 4 which is formed of the same elastomer as the cork embedding layer 3b , is covered with a fabric overlay 6 .
  • the outermost layer 5 of the belt back 4 is thus formed here as a coating of the textile support 6 .
  • the textile support 6 may be completely impregnated with the metal particle-containing elastomer material for the outermost layer 5 .
  • Figure 2 shows a schematic representation of the test apparatus were examined with the specimens of elastomeric materials with embedded particles for heat reflection.
  • the central bore 42 with a diameter of also 35 mm was arranged congruent with the opening of the spacer 30 , so that the heat radiation emanating from the heating plate 20 - essentially an infrared radiation - could hit the plate 10 only in the area of the central bores.
  • a cellophane sheet 50 is arranged, which was supported by the metal frame 52 .
  • the cellophane film was a Natureflex NP film, 0.2 mm thick, spaced at a distance of 10 mm from the hot plate side surface of the HDF plate and 22 mm from the surface of the sample material. The distance between hot plate 20 and cellophane film 50 was therefore 70 mm.
  • the heating of the sample material by the heat radiation of the heating plate 20 was recorded by means of a temperature sensor 60 .
  • the temperature sensor 60 was for this purpose sunk in the front side facing the radiation of the sample plate 10 .
  • the test setup is used to simulate an engine room situation.
  • an exhaust system - here represented by the spaced-apart hotplate 20 - assume temperatures up to about 500 ° C.
  • the hot plate 20 was heated to 500 ° C.
  • the temperature of the plate 10 measured with the heat sensor 60 asymptotically approached a final value over about 13 to 15 minutes, which was recorded when the temperature stability was reached (temperature change after 1 minute below 0.1 ° C.).
  • This test procedure was repeated several times for all sample materials and the mean value was taken for each material.
  • the temperature average of the carbon black-filled elastomer was set to zero for reference.
  • the ⁇ T values of the example part indicate the temperature difference between the final temperature values for the reference material and the respective sample material, this temperature difference always being negative, ie the sample materials b) to g) heated up less than that Reference material. It was found that the presence of metal particles already causes a positive effect, which could be increased again by up to 50% using appropriate platelet or flaky particles, so-called flakes. The presence of the metal flakes resulted in a significantly increased heat reflection, so that a thus equipped belt is better protected against overheating when operating at elevated temperature.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kraftübertragungsriemen mit einem Grundkörper aus wenigstens einem elastomeren Material, der einen Unterbau und einen Riemenrücken aufweist, wobei an dem Unterbau eine Kraftübertragungszone ausgebildet ist.
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftübertragungsriemen für Zugmitteltriebe. Dabei kann es sich um Flachriemen, Keilriemen, Keilrippenriemen oder Zahnriemen handeln. Riemen für Zugmitteltriebe haben generell besonderen dynamisch-mechanischen Anforderungen standzuhalten. Durch innere Scherkräfte erfahren die Riemen eine leichte Eigenerwärmung bei Betrieb, die jedoch bei modernen Elastomerriemen gut beherrschbar ist. Riemen der hier betroffenen Art werden oft in Hochleistungsmaschinen bzw. Motoren eingesetzt. Besonders in Fahrzeugmotoren für Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge können sie dabei einer äußeren Wärmebelastung ausgesetzt werden, die durch eine hohe Betriebstemperatur des Motors und im Falle von Verbrennungsmotoren zusätzlich durch hohe Abgastemperaturen bedingt ist. Diese äußeren Bedingungen belasten das Riemenmaterial zusätzlich. Es besteht die Gefahr, dass der Riemen schneller altert und dadurch die Laufleistung verringert wird. In Kraftfahrzeugmotorräumen sind die Riemen kurzzeitig und in Intervallen hohen Temperaturen bis ca. 300 oder 400 °C ausgesetzt. Die Hochtemperaturbeständigkeit von Elastomerriemen ist daher ein konkretes Problem.
  • Klassisch werden derartige Kraftübertragungsriemen häufig aus Kautschukelastomeren hergestellt, und zwar vorzugsweise solchen des M-Typs oder des R-Typs, einschließlich Naturkautschuk (NR). Wegen eines guten Preis-Leistungs-Verhältnisses in Bezug auf die gewünschten mechanischen Eigenschaften sind diese Kautschuke im Stand der Technik häufig rußgefüllt.
  • Es ist bereits bekannt, die Temperaturbeständigkeit bei hohen und/oder niedrigen Temperaturen durch den Einsatz besonders dafür optimierter Elastomere zu verbessern, die diesen Temperaturen besser standhalten können. Aus der EP 1 129 308 A2 ist ein Kraftübertragungsriemen bekannt, der Temperaturen zwischen -40 und etwa 140 °C über wenigstens 500 Stunden standhält. Hierfür würden spezielle Copolymere eingesetzt, die Nitrilgruppen und ggf. fluorierte Vinylgruppen oder ungesättigte Carboxylsäureestergruppen enthalten. Mit der Verwendung spezieller synthetischer Elastomere zur Erhöhung der Temperaturresistenz ist der Nachteil verbunden, dass bestimmte mechanische Eigenschaften nicht gleichzeitig mit der Temperaturresistenz optimierbar sind. Auch sind diese speziellen synthetischen Elastomere in der Herstellung häufig teurer.
  • Aus der EP1396658 A1 ist ein Kraftübertragungsriemen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dieses Dokument offenbart eine Verwendung der plättchenförmigen Metallpartikeln in einer äußeren Beschichtung der Rippen eines Riemengrungkörpers.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile im Stand der Technik zu vermeiden und einen Kraftübertragungsriemen anzugeben, der gegen Überhitzung bei Betrieb in Hochleistungsmotoren, speziell in Kraftfahrzeugmotorräumen, besser geschützt ist und bei dem dennoch klassische Riemenelastomere zum Einsatz kommen können. Der Riemen soll bei den genannten Belastungen insbesondere weniger Wärmestrahlung oder Infrarot-Strahlung absorbieren als ein herkömmlicher Riemen.
  • Die Aufgabe wird mit Hilfe eines Kraftübertragungsriemens gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst, bei dem wenigstens eine äußerste Schicht des Riemenrückens in das zugehörige Elastomer eingemischte plättchen- oder schuppenförmige Partikel aus Metall enthält. "Wenigstens in die äußerste Schicht" des Riemenrückens eingemischt bedeutet, dass die Metallteilchen entweder nur in der äußersten Schicht des Riemenrückens oder im ganzen Riemenrücken oder zusätzlich auch in anderen Riemenzonen enthalten sind. Für die Funktion wichtig ist die Anwesenheit der plättchen- oder schuppenförmigen Partikel aus Metall in der äußersten Riemenrückenschicht, um die Wärme dort unmittelbar zu reflektieren und die Wärmeabsorption durch den Riemen zu verhindern bzw. zu begrenzen. Die äußerste Schicht mit den Metallpartikeln schirmt die Wärme ab, und zwar im Wesentlichen den Infrarotstrahlungsanteil.
  • Die gattungsgemäßen Kraftübertragungsriemen sind generell so aufgebaut, dass der gesamte elastomere Grundkörper aus einem oder mehreren Elastomermaterialien besteht. Der Grundkörper erstreckt sich dabei weitgehend über den gesamten Querschnitt des Riemens, wobei Auflagen und/oder Beschichtungen sowohl auf der Riemenrückseite wie der Kraftübertragungszone oder als Ummantelungen um den gesamten Riemen vorhanden sein können. Zwischen dem Riemenrücken und dem Unterbau, an dem die Kraftübertragungszone ausgebildet ist, sind in der Regel Zugträger angeordnet, die in Bandform oder als Einzelstränge vorliegen können. Die Zugträger befinden sich zwischen Riemenrücken und Unterbau und können in einer eigenen Elastomermischung eingebettet sein. Bei einer solchen Ausführungsform besteht eine Zwischenschicht aus dem Zugträger-Einbettungsmaterial zwischen Riemenrücken und Unterbau. Auch der Riemenrücken kann aus mehreren Materialschichten bestehen und beispielsweise eine Zwischenschicht enthalten. In die verschiedenen Schichten oder Zwischenschichten können beispielsweise Verstärkungsfasern eingearbeitet sein, einzelne Schichten können pigmentiert sein und anderes mehr. Auch für den Unterbau sind mehrschichtige Aufbauten bekannt.
  • Die erfindungsgemäß vorhandenen plättchen- oder schuppenförmigen Partikel aus Metall befinden sich gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels in dem Elastomermaterial oder den mehreren Elastomermaterialien des gesamten Grundkörpers. Die Metallpartikel sind dann in dem gesamten Querschnitt des Riemengrundkörpers verteilt, wobei die Metallpartikel-Konzentrationen in bestimmten Bereichen oder Schichten des Grundkörpers unterschiedlich und insbesondere im Riemenrücken, besonders bevorzugt in der äußersten Schicht des Riemenrückens, erhöht sein können. Alternativ ist es weiterhin möglich, dass die in das zugehörige Elastomer eingemischten plättchen- oder schuppenförmigen Partikel aus Metall nur innerhalb des Riemenrückens und bevorzugt nur innerhalb einer äußersten Schicht des Riemenrückens vorhanden sind, während andere Bereiche des Grundkörpers aus metallfreien Elastomeren gebildet werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Metallpartikel nur dort eingesetzt werden, wo sie benötigt werden und wo sie optimal Wirkung entfalten. Der Materialeinsatz an Metall ist gegenüber dem ersten Beispiel reduziert.
  • Bei den plättchen- oder schuppenförmigen Partikeln aus Metall kann es sich um sogenannte Flakes handeln, auch als Flocken bezeichnet. Diese Flakes bzw. Schuppen oder Plättchen können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Zum einen können Sie aus einem Spanprozess stammen. Die Plättchen oder Schuppen sind dann Flachspäne. Auch Schliffbronzen gehören in diese Gruppe. In einem anderen Herstellungsverfahren wird Metall zu Gries zerkleinert bzw. pulverisiert und dann in Mühlen verformt und ggf. weiter zerkleinert. Hierfür sind Trockenmahlverfahren und Nassmahlverfahren bekannt. Es ergeben sich Plättchen bzw. Blättchen oder Flakes, die häufig eine Dicke von nur ca. einem Mikrometer bei Durchmessern von ca. 20 bis 100 µm (D50num ≤ 100 µm oder Siebdurchgang ca. 70 - 80) besitzen.
  • Die erfindungsgemäßen Metallpartikel bestehen aus elementaren Metallen oder Metalllegierungen, d.h. keinen Metalloxiden. Sie können jedoch zum Korrosionsschutz und Zwecks besserer Einbindung in ein Elastomer beschichtet sein, vorzugsweise sind die Metallpartikel nichtleitend beschichtet, weiter vor-zugsweise mit Siliciumdioxid, Aluminumoxid oder mit Polymeren, wie beispielsweise Acrylaten. Die Beschichtung mit SiO2 kann eine Glaseinkapselung sein. Die Einkapselung oder Beschichtung dient in erster Linie dem Korrosionsschutz; eine oxidische Beschichtung kann die Einbindung in das Elastomer verbessern.
  • Die erfindungsgemäßen Metallpartikel bestehen vorzugsweise aus Gold, Kup-fer, Zink, Bronze oder Messing und in besonders bevorzugter Ausführungsform aus Aluminium. Aluminium ist bevorzugt, weil es Infrarotstrahlung sehr gut reflektiert.
  • Aluminiumpartikel der hier bevorzugten Art sind als technische Aluminiumflakes bekannt. Aluminiumflakes werden als Schäumungsmittel bei der Herstellung von Leichtbeton und Spezialmörteln verwendet, ebenso in der chemischen Industrie, insbesondere für Grignard-Reaktionen und stark exothermen metallorganischen Reaktionen verschiedener Art. Sie werden ebenfalls als Reduktionsmittel eingesetzt und finden Anwendung in vielen pyrotechnischen Produkten.
  • Überraschenderweise wurde gefunden, dass diese Partikel gefahrlos in Kraftübertragungsriemen für Fahrzeugmotoren eingesetzt werden können, da sie in den Elastomeren dispergiert und damit geschützt vorliegen.
  • Bezüglich der Teilchenform unterscheidet man bei den Metallflakes die sogenannte "Cornflakes-Form", eine unregelmäßige Form, und die sogenannten "Silberdollar-Typen" mit einer glatten Oberfläche. Die genaue Form der Flakes bzw. Plättchen oder Schuppen scheint keinen entscheidenden Einfluss auf die wärmereflektierenden Eigenschaften zu besitzen. Die Plättchenform als solche ist in Verbindung mit Konzentration und Größe (Durchmesser) für die Wirkung ausschlaggebend.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Metallpartikel in dem Elastomer des metallhaltigen Grundkörpers oder Grundkörperbereichs insgesamt und vorzugsweise in der äußersten Schicht des Riemenrückens in einer Konzentra-tion von 1 phr bis 25 phr, vorzugsweise von 5 phr bis 12 phr, vorhanden.
  • Weiterhin sind wenigstens 50 % der Teilchen in keiner Ausdehnungsausrichtung länger als 100 µm, vorzugsweise in keiner Ausdehnungsrichtung länger als 60 µm. Dies entspricht einer beispielsweise durch Laserdiffraktometrie bestimmten mittleren Partikelgröße (numerisch) von D50num≤ 100 µm, vorzugsweise D50num ≤ 60 µm. Alternativ kann die Beschränkung der Teilchengröße auch durch eine Siebdurchgangskennzahl charakterisiert werden. Vorzugsweise besitzen die verwendeten Teilchen eine Siebdurchgangszahl von nicht größer als 71 (95 - 100 % Durchgang). Bei zu großen Teilchen nimmt die Rissneigung im Riemenmaterial zu, sodass es zum Riemenausfall oder einer deutlichen Verminderung der Laufleistung kommen kann. Überraschenderweise wurde gefunden, dass die in wenigstens der äußersten Riemenrückenschicht gleichmäßig dispergierten Metallpartikel eine erstaunlich gute Wärmereflexion bewirken, die höher ist als bei einem "weiß"-gefüllten Riemenmaterial, das SiO2- und/oder TiO2-basierte Füllstoffe enthält.
  • Die Wärmereflexion ist bei den erfindungsgemäß eingesetzten plättchen- oder schuppenförmigen Metallpartikeln erheblich besser als bei Metallpulver, bezogen auf die gleiche Masse. Dieser Effekt tritt bereits unabhängig von einer gezielten Ausrichtung der Plättchen oder Schuppen im Elastomer ein. Es wird aber davon ausgegangen, dass eine gewisse Ausrichtung der Metallteilchen bei der Herstellung des Riemens bzw. Riemenrückens automatisch erfolgt. Insbesondere beim Kalandrieren des Riemenrückens werden sich die Plättchen "flach", d.h. bevorzugt eher parallel und nicht quer zur Schichtfläche, anordnen. Eine ähnliche Ausrichtung kommt auch beim Gießen einer plättchenhaltigen oder schuppenhaltigen Schicht zustande, in besonders starkem Maße, wenn die äußerste Schicht mit den Metallteilchen sehr dünn, beispielsweise kleiner 1 mm, ist.
  • In bevorzugter Ausführungsform enthält nur die äußerste Schicht des Riemenrückens die erfindungsgemäßen Metallpartikel. Diese Schicht ist vorzugsweise bis zu 1 mm, weiter vorzugsweise bis zu 0,5 mm und besonders bevorzugt nur bis zu 0,2 mm (≤ 0,2 mm) dick.
  • Die erhöhte Wärmereflexion schützt den Riemen vor Überhitzung und macht es möglich, dass auf hochtemperaturstabile Elastomere, beispielsweise mit fluoriertem Anteil, zugunsten der konventionellen Elastomere, die jedoch wenigstens in der äußersten Schicht des Riemenrückens mit Metallpartikeln versehen sind, verzichtet werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das die Metallpartikel enthaltende Elastomer ein M-Elastomer, ein R-Elastomer, einschließlich Naturkautschuk (NR), ein Halogen-kautschuk oder ein Polyurethan. Es können mehrere in dem Riemen in ver-schiedenen räumlichen Bereichen (Zonen) angeordnete Elastomere plättchen- oder schuppenförmige Partikel aus Metall enthalten. Grundsätzlich sind alle Kautschuke, einschließlich Naturkautschuk, geeignet, um bei der Erfindung verwendet zu werden.
  • In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist das bevorzugte Elastomer, das die erfindungsgemäßen Metallpartikel enthält, zu wenigstens 50 Gew.% ein Elastomer der M-Gruppe oder ein Polyurethan. Besonders bevorzugte Elasto-mere sind radikalisch vernetzte EPM- oder EPDM-Elastomere.
  • Unter einem "Elastomer" wird hier ein zu einem dreidimensionalen Netzwerk vernetztes Polymer verstanden, das keine rein thermoplastischen Eigenschaften, wie Schmelzbarkeit, besitzt. Gewisse Anteile an Thermoplasten können eingemischt sein, ohne dass das Elastomer insgesamt seine charakteristischen Elastomereigenschaften verliert. Der Thermoplastanteil sollte jedoch 30 Gew.%, vorzugsweise 20 Gew.%, nicht überschreiten.
  • Das Elastomer enthält weiterhin einen vorzugsweise hellen Füllstoff, insbesondere ein Kieselsäurematerial oder ein disperses Siliciumoxid, vorzugsweise pyrogenes Siliciumdioxid in nicht-funktionalisierter und vorzugsweise in funktionalisierter Form. Kieselsäurebasierte Füllstoffe sind in "Ullmann's Encyklopedia of Industrial Chemistry, VCH, Weinheim 1993, Vol. A 23, Seite 395 ff. unter dem Thema "Aktive weiße Füllstoffe" beschrieben (Kapitel "Rubber, 4.3.3.1.").
  • Es ist bevorzugt, wenn ca. 10 bis 90 phr eines solchen Füllstoffs verwendet werden. Die Oberfläche gemessen nach BET sollte größer oder gleich 50 m2/g betragen. Der Füllstoff oder Teile des Füllstoffs können oberflächenfunktionalisiert sein, wie dies im Stand der Technik bekannt ist.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Elastomer des Riemenkörpers insgesamt oder zumindest das Elastomer, in das die Metallpartikel nach der Erfindung eingebettet sind, keine dunklen Füllstoffe und insbesondere keinen Ruß enthält. Dunkle Füllstoffe bzw. Ruß wirken der wärmereflektierenden Wirkung der Metallpartikel entgegen und sind daher zu vermeiden.
  • Wie im Stand der Technik allgemein bekannt, können die Elastomermischungen weiterhin Zusatz- und Hilfsstoffe in den dafür üblichen Gewichtsanteilen enthalten. Hierzu gehören Weichmacher, Dispergiermittel, Mastiziermittel, Haftvermittler, Alterungsschutzmittel, Trennmittel, Gleitmittel, Stabilisatoren, Vernetzungsbeschleuniger, Vernetzungsverzögerer, Farbstoffe (vorzugsweise helle), Verstärkungsfasern, Vernetzungsinitiatoren, wie insbesondere Radikalbildner, und Aktivatoren.
  • Die Kraftübertragungsriemen nach der Erfindung können alle gängigen Formen besitzen, d.h. es kann sich grundsätzlich um Flachriemen, Keilriemen oder Zahnriemen, handeln. Bevorzugt sind Keilriemen, Keilriemenkraftbändern, Keilrippenriemen und Zahnriemen, besonders bevorzugt sind Keilriemen und Keilrippenriemen.
  • Da der Erfindung die Erkenntnis zugrunde liegt, dass Kraftübertragungsriemen aus herkömmlichen Kautschukelastomeren oder Polyurethan bei Betrieb unter thermischer Belastung, insbesondere kurzfristiger wiederkehrender thermischer Belastung bei Temperaturen bis ca. 400 °C wirkungsvoll mit Hilfe von eingebetteten Metallteilchen geschützt werden können, umfasst die Erfindung weiterhin die Verwendung von Metallpartikeln innerhalb des Riemenrückens eines Kraftübertragungsriemens zum Überhitzungsschutz für kurzzeitig in Fahrzeugmotorräumen und im Wärmeabstrahlungsbereich von Auspuffanlagen auftretende Temperaturen oberhalb 100 °C, ggf. oberhalb 200 °C und kurzzeitig bis etwa 400 °C.
  • Besonders bevorzugt ist die Verwendung von technischen Aluminiumschuppen, auch bezeichnet als Aluminiumflakes, von Aluminiumplättchen, Aluminiumflachspänen Aluminiumschuppen oder Schliffbronze mit Teilchendurchmessern ≤ 100 µm, d.h. mit einem Siebdurchgang 100, vorzugsweise einem Siebdurchgang 71, weiter vorzugsweise einem mittleren Teilchendurchmesser D50num ≤ 100. Die erfindungsgemäße Verwendung erfolgt im Einzelnen so, wie zuvor anhand des erfindungsgemäßen Kraftübertragungsriemens beschrieben.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • Abbildung 1
    - skizzierte Riemenquerschnitte;
    Abb. 1a
    - einen skizzierten Querschnitt eines Rippenbandes mit Metallteilchen in der äußersten Riemenrückenschicht;
    Abb. 1b
    - einen skizzierten Querschnitt eines Keilriemens mit Metallpartikeln auf der Textilbeschichtung;
    Abbildung 2
    - Testaufbau, Wärmereflexionstest.
  • Abbildung 1a zeigt die schematische Darstellung eines Riemenquerschnitts durch einen Kraftübertragungsriemen 1 in Form eines Keilrippenriemens mit hier sechs Rippen 2 . Der elastomere Grundkörper 3 umfasst die aus einem einheitlichen elastomeren Material gebildeten Rippen 2 , sowie den gesamten Unterbau und den Riemenrücken 4. Nur die äußerste Schicht 5 des Riemenrückens 4 enthält in das Elastomer eingemischte plättchenförmige Partikel aus Metall, hier Aluminumflakes ("blättchenförmiges Aluminiumpulver", Hersteller: Eckart Effect Pigments, Deutschland) mit Siebdurchgang (97 - 100 %) 71 Mikrometer und einer Teilchengrößeverteilung D50 von ca. 47 Mikrometer. Die Schichtdicke der Schicht 5 beträgt 1 mm. Durch Kalandrieren sind die Aluminiumflakes nicht völlig ungeordnet, sondern statistisch in höherem Maße längs zur Schicht ausgerichtet.
  • Abbildung 1b zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel die schematische Darstellung eines Riemenquerschnitts durch einen Kraftübertragungsriemen 1 in Form eines Keilriemens. Der Keilriemen 1 ist hier aus verschiedenen Elastomerbereichen gebildet, nämlich einem Elastomerbereich im Keilabschnitt 3a, einem Cordeinbettungsabschnitt 3b und der äußersten Schicht 5, die wiederum die blättchen- bzw. plättchenförmigen Aluminiumflakes enthält. Der Riemenrücken 4, der aus dem gleichen Elastomer wie die Cordeinbettungsschicht 3b ausgebildet ist, ist mit einer Textilauflage 6 abgedeckt. Die äußerste Schicht 5 des Riemenrückens 4 ist also hier als eine Beschichtung der Textilauflage 6 ausgebildet. Alternativ kann die Textilauflage 6 mit dem metallpartikelhaltigen Elastomermaterial für die äußerste Schicht 5 vollständig getränkt sein.
  • Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung der Testapparatur, mit der Probestücke aus Elastomermaterialien mit eingebetteten Teilchen zur Wärmereflexion untersucht wurden.
    • Beispiele 1.) Beispielgrundmischung Mischung 1
  • Bestandteil Gehalt (phr)
    EPDM1: Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer, Ethylengehalt 50 %, Diengehalt* 4,9 % 55
    EPDM2: Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer, Ethylengehalt 70 %, Diengehalt 4,9 % 45
    Silica-Silan-Zusammensetzung: VN2 + VTEo** 50
    Weichmacher: Mineralöl-Weichmacher 12
    TMQ Antioxidanz 2,2,4-Trimethyl-1,2-dihydrochinolin 0,5
    Stearinsäure 4
    ZnO 2
    MgO 4
    Ionischer Aktivator: Zink-Dimethacrylat 12
    Peroxid-Vernetzer: Di(t-butylperoxy-isopropyl)benzol 4
    *Dien = ENB
    ** VN2 + VTEo = ein VN2-Silica-Füllstoff (spez. Oberfl. BET: 125 - 130 m2/g, vorreagiert bzw. vorvermischt mit 8 phf Vinyltriethoxysilan
    • 2.) Einzelbeispiele mit unterschiedlichen erfindungsgemäßen und nicht er-findungsgemäßen Teilchen zur Erhöhung der Wärmereflexion, für die Beispiele b) bis g) mit der Grundmischung und zusätzlich dem angegebenen Gehalt an Wärmeschutzteilchen in phr. Als Referenzbeispiel a) wird ein entsprechender rußgefüllter Kautschuk verwendet.
    Beispiel Teilchenart Eigenschaften ΔT (°C)
    a) Referenzbeispiel Ruß, EPDM-Standardqualität, peroxidvernetzt, ohne Fasern rußgefülltes EPM, Standardriemenkautschuk, ohne Wärmereflexionsteilchen 0 (Referenz)
    b) einzelne und gemischte Metalloxide Al2O3 oder TiO2, SiO2, Gemische daraus, jeweils 10 phr Durchmesser ca. 40 - 50 µm 12
    c) Zinn pulverförmig, 10 phr - 18
    d) Aluminiumpulver Standardpulver, 10 phr Siebdurchgang 71 µm 26
    e) beschichtetes Aluminium, Pulver Al, SiO2-beschichtet, 5 phr runde Teilchen, mittlerer Durchmesser, 50 µm 26
    f) beschichtetes Aluminium, Pulver Al, SiO2-beschichtet, 10 phr runde Teilchen, mittlerer Durchmesser, 50 µm 32
    g) Aluminiumflakes (Blättchen) Al, gekapselt mit mineralischer Schicht, 10 phr D50num ≤ 50 µm, runde Plättchen 39
    Wärmereflexionstest - Abb. 2
  • Aus den Materialien zu oben genannten Beispielen a) bis g) wurden jeweils Platten 10 ausgeformt, die in definiertem Abstand zu einer Heizplatte 20 angeordnet wurden. Die Platten 10 aus dem Probematerial besaßen jeweils eine Schichtdicke von 2 mm. Der Abstand von der Oberfläche der jeweiligen Platte 10 bis zur Oberfläche der Heizplatte 20 betrug in dem Versuchsaufbau 92 mm. Innerhalb dieses Aufbaus wurden verschiedene Maßnahmen ergriffen, um den Einfluss einer Konvektionswärme weitgehend auszuschließen. Hierzu wurde die Platte 10 aus dem Probematerial auf einen ringförmigen Abstandshalter 30 aus Gummi mit der Schichtdicke 6 mm geklebt. Der Innendurchmesser 32 des Rings betrug 35 mm. Vor dem Gummiabstandshalter 30 wurde eine 6 mm starke HDF-Platte 40 mit einer Mittelbohrung 42 angeordnet. Die HDF-Oberfläche wurde vollständig mit Alufolie bedeckt. Die Mittelbohrung 42 mit einem Durchmesser von ebenfalls 35 mm wurde deckungsgleich mit der Öffnung des Abstandshalters 30 angeordnet, sodass die von der Heizplatte 20 ausgehende Wärmestrahlung - im Wesentlichen eine Infrarotstrahlung - nur im Bereich der Mittelbohrungen auf die Platte 10 treffen konnte. Als zusätzliche Maßnahme zur Abschirmung der Wärmekonvektion wurde zwischen Heizplatte 20 und HDF-Platte 40 noch eine Zellophanfolie 50 angeordnet, die durch den Metallrahmen 52 gehaltert wurde. Bei der Zellophanfolie handelte es sich um eine Natureflex NP-Folie, Schichtdicke 0,2 mm, die in einem Abstand von 10 mm von der heizplattenseitigen Oberfläche der HDF-Platte bzw. von 22 mm von der Oberfläche des Probenmaterials beabstandet war. Der Abstand zwischen Heizplatte 20 und Zellophanfolie 50 betrug demnach 70 mm. Die Aufheizung des Probenmaterials durch die Wärmestrahlung der Heizplatte 20 wurde mit Hilfe eines Temperaturfühlers 60 aufgezeichnet. Der Temperaturfühler 60 war hierfür in der der Strahlung zugewandten Vorderseite der Probeplatte 10 versenkt angeordnet.
  • Der Testaufbau dient der Simulation einer Motorraumsituation. Dabei kann eine Auspuffanlage - hier durch die im Abstand angeordnete Heizplatte 20 dargestellt - Temperaturen bis ca. 500 °C annehmen. Die Heizplatte 20 wurde auf 500 °C aufgeheizt. Die mit dem Wärmefühler 60 gemessene Temperatur der Platte 10 näherte sich dabei über ca. 13 bis 15 Minuten asymptotisch einem Endwert, der bei Erreichen der Temperaturkonstanz (Temperaturänderung nach 1 Minute kleiner 0,1 °C) aufgezeichnet wurde. Dieser Testablauf wurde für alle Beispielmaterialien mehrfach wiederholt, und es wurde für jedes Material der Mittelwert genommen. Der Temperaturmittelwert des rußgefüllten Elastomers wurde als Referenz gleich Null gesetzt. Die ΔT-Werte des Beispielteils geben die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturendwerten beim Referenzmaterial und dem jeweiligen Beispielmaterial an, wobei diese Temperaturdifferenz stets negativ war, d.h. die Probematerialien b) bis g) heizten sich weniger auf als das Referenzmaterial. Dabei zeigte sich, dass die Anwesenheit von Metallteilchen bereits einen positiven Effekt bewirkt, der bei Verwendung entsprechender plättchen- oder schuppenförmiger Teilchen, sogenannter Flakes, nochmals um bis zu 50 % gesteigert werden konnte. Das Vorhandensein der Metallflakes bewirkte eine deutlich verstärkte Wärmereflexion, sodass ein auf diese Weise ausgerüsteter Riemen bei Betrieb unter erhöhter Temperatur besser gegen Überhitzung geschützt ist.

Claims (11)

  1. Kraftübertragungsriemen (1) mit einem Grundkörper (3) aus wenigstens einem elastomeren Material, der einen Unterbau und einen Riemenrücken (4) aufweist, wobei an dem Unterbau eine Kraftübertragungszone ausgebildet ist und wobei der ganze Riemenrücken (4) oder wenigstens eine äußerste Schicht (5) des Riemenrückens (4) in das Elastomer eingemischte Partikel aus Metall enthält, wobei
    die eingemischten Metallpartikel plättchen- oder schuppenförmige Partikel sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikeln in einer Konzentration von 1 phr bis 25 phr vorhanden sind und von denen wenigstens 50 % in keiner Ausdehnungsrichtung länger als 100 Mikrometer sind und dass das die Metallpartikel enthaltene Elastomer ein M-Elastomer, ein R-Elastomer, einschließlich Naturkautschuk (NR) oder ein Polyurethan ist.
  2. Kraftübertragungsriemen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel aus Aluminium bestehen.
  3. Kraftübertragungsriemen (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 50 % der Teilchen in keiner Ausdehnungsrichtung länger als 60 Mikrometer sind.
  4. Kraftübertragungsriemen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel in dem Elastomer des Riemenrückens (4) oder der äußeren Schicht (5) des Riemenrückens (4) in einer Konzentration von 1 phr bis 12 phr vorhanden sind.
  5. Kraftübertragungsriemen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel in dem Elastomer des Riemenrückens (4) oder der äußeren Schicht (5) des Riemenrückens (4) in einer Konzentration von 1 phr bis unter 5 phr vorhanden sind.
  6. Kraftübertragungsriemen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer des Riemenrückens (4) oder zumindest das Elastomer der äußersten Schicht (5) des Riemenrückens (4) einen hellen Füllstoff, insbesondere einen SiO2-haltigen Füllstoff enthält.
  7. Kraftübertragungsriemen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer des Riemenrückens (4) oder zumindest das Elastomer der äußersten Schicht (5) des Riemenrückens (4) nicht dunkel eingefärbt und nicht mit dunkelen Füllstoffen oder mit Ruß gefüllt ist.
  8. Kraftübertragungsriemen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallpartikelhaltige äußerste Schicht (5) des Riemenrückens (4) bis zu 1 mm dick ist.
  9. Kraftübertragungsriemen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Riemen ein Keilriemen, ein Keilriemenkraftband, ein Keilrippenriemen oder ein Zahnriemen ist.
  10. Verwendung plättchen- oder schuppenförmiger Metallpartikel, von denen wenigstens 50 % in keiner Ausdehnungsrichtung länger als 100 Mikrometer sind, in einer Konzentration von 1 bis 25 phr innerhalb des Riemenrückens (4) und wenigstens in einer äußeren Schicht (5) des Riemenrückens (4) eines Kraftübertragungsriemens (1) zum Überhitzungsschutz gegen kurzzeitig beim Betrieb in Fahrzeugmotorräumen und im Wärmeabstrahlungsbereich von Auspuffanlagen auftretenden Temperaturen > 100 °C.
  11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel technische Aluminiumschuppen mit Durchmessern kleiner gleich 100 Mikrometer sind.
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